数控机床检测装置

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1、第5章 数控机床检测装置,5.1 概 述 检测装置是数控机床的重要组成部分，它是依靠指令值和检测装置的反馈值比较后发出控制指令，控制伺服系统和传动装置驱动机床的运动部件，实现数控机床各种加工过程，保证具有较高的加工精度。 数控检测装置的主要作用: 检测运动部件的位移和速度，并反馈检测信号。其精度对数控机床的定位精度和加工精度均有很大影响，要提高数控机床的加工精度，就必须提高检测装置和检测系统的精度。,一、数控机床对检测装置的主要要求,（1）工作有较高的可靠性和抗干扰能力 检测装置应能抗各 种电磁干扰，抗干扰能力强，基准尺对温度和湿度敏感性低，温湿度变化对测量精度等环境因素的影响小。 (2）满足

2、精度和速度的要求 分辨率应在0.0010.01内，测量精度应满足0.0020.02/m，运动速度应满足020m/min。 （3）便于安装和维护 检测装置安装时要满足一定的安装精度要求，安装精度要合理，考虑到影响，整个检测装置要求有较好的防尘、防油污、防切屑等措施。 （4）成本低、寿命长 不同类型的数控机床对检测系统的分辨率和速度有不同的要求，一般情况下，选择检测系统的分辨率或脉冲当量，要求比加工精度高一个数量级。,二、位置检测装置的常用类型,位置检测装置按其测量对象、工作原理和结构特点主要有三种分类方法。 1.按检测对象不同分类 (1)直线位移测量装置 该装置将位置检测装置直接安装在数控机床的

3、拖板或工作台上，直接测量数控机床移动部件的直线位移量，因此也称直接测量装置。 (2)转角位移测量装置 该装置将位置检测装置安装在驱动电动机上或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量数控机床移动部件的直线位移量，因此也称间接测量装置。,2.按检测信号的选取形式不同分类 (1)数字式测量装置 该装置将被测位移量转换为脉冲个数，即数字形式来表示。 (2)模拟式测量装置 该装置将被测位移量转换为连续变化的模拟电量来表示，如电压变化、相位变化等，因此可直接对被测量进行检测，无需量化处理；在小量程内可实现较高精度的测量，可用于直接测量和间接测量。,3.按测量的绝对值不同分类 (1)增量式测量装置 它

4、只测量相对位移量(位移增量)，即每移动一个测量单位就发出一个测量信号。 (2)绝对式测量装置 对于被测量的任意点的位置，均由一个固定的零点计算起，每一被测点都有一个相应的测量值。,常用位置检测装置的分类,三、数控检测装置的性能指标,传感器的性能指标包括静态特性和动态特性,（1）精度 符合输出量与输入量之间的特定函数关系的准确程度称为精度，数控用传感器要满足高精度和高速实时测量的要求。,（2）分辨率 分辨率应适应机床精度和伺服系统的要求。分辨率的提高，对提高系统其他性能指标和运行平稳性都很重要。,（3）灵敏度 实时测量装置灵敏度要高，输出、输入关系中对应的灵敏度要求一致。,（4）迟滞 对某一输入

5、量，传感器的正行程的输出量和反行程的输出量的不一致，称为迟滞。数控伺服系统的传感器要求迟滞要小。,（6）零漂与温漂 传感器的漂移量是其重要性能标志，它反映了随时间和温度的改变，传感器测量精度的微小变化。,（5）测量范围 传感器的测量范围要满足系统的要求，并留有余地。,5.2 光电编码器,光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字化传感器，可以高精度测量被测物的转角或直线位移量。,一、定义,1、按测量方式分类： 旋转编码器 通过测量被测物体的旋转角度并将测量到的旋转角度转化为脉冲电信号输出 直尺编码器 通过测量被测物体的直线行程长度并将测量到的行程长度转化为脉冲电信号输出 2、按编码方式分类： 绝

6、对式编码器 增量式编码器 混合式编码器,二、分类,5.2.1 增量式旋转编码器,一、定义 用光信号扫描分度盘（分度盘与转动轴相联），通过检测、统计信号的通断数量来计算旋转角度,二、增量式旋转编码器的特点 编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的； 由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定； 由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位。,三、增量式编码器综述,特点: 数字编码, 根据旋转角度输出脉冲信号 根据旋转脉冲数量可以转换为速度 选型: - 旋转一周对应的脉冲数 (256, 51

7、2, 1024, 2048) - 输出信号类型 (TTL, HTL, push-pull mode) - 电压类型 (5V, 24V) - 最大分辨速度 优点: - 分辨能力强 - 测量范围大 (100-10.000 inc./rotational motion) - 适应大多数情况 缺点: - 断电后丢失位置信号 - 技术专有，兼容性较差,5.2.2 绝对式旋转编码器,一、定义 用光信号扫描分度盘（分度盘与传动轴相联）上的格雷码刻度盘以确定被测物的绝对位置值，然后将检测到的格雷码数据转换为电信号以脉冲的形式输出测量的位移量,二、绝对式旋转编码器的特点 在一个检测周期内对不同的角度有不同的格雷

8、码编码，因此编码器输出的位置数据是唯一的； 因使用机械连接的方式，在掉电时编码器的位置不会改变，上电后立即可以取得当前位置数据； 检测到的数据为格雷码，因此不存在模拟量信号的检测误差；,三、绝对式编码器综述,特点: 数字编码, 根据旋转角度输出脉冲信号 根据输出的脉冲信号可以转化为速度. 选型: - 单编码盘 / 多编码盘 (测量一个或二个旋转变量) - 代码 (格雷码, BCD码, 二进制码) - 信号传输方式 (并口, 串口) - 分辨率 - 最大旋转速度 优点: - 结构简单 - 角行程编码 (通过旋转轴获得) - 线性编码 (激光远距离测量) - 掉电不影响编码数据的获得 - 最大24

9、位编码 缺点: - 比较贵,5.2.3 混合式旋转编码器,一、定义 用光信号扫描分度盘（分度盘与转动轴相联），通过检测、统计光信号的通断数量来计算旋转角度，同时输出绝对旋转角度编码与相对旋转角度编码,二、混合式旋转编码器的特点 具备绝对编码器的旋转角度编码的唯一性与增量编码器的应用灵活性,图5-1 光栅测量装置,1、光栅组成 主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。通常，标尺光栅固定在机床运动部件上（如工作台或丝杠上）与光栅读数头产生相对移动，光源、透镜、指示光栅、光敏元件和信号处理电路均装在一个壳体内，做成一个单独部件固定在机床上，这个部件称为光栅读数头，其作用是将光信号转换成所需的电脉冲信号

10、。,5.3.1 光栅尺的结构及工作原理,5.3 光栅尺和磁栅尺,长光栅 - 直线位移；圆光栅 - 角位移,构成：主光栅 - 标尺光栅，指示光栅 - 短光栅,长度 - 测量范围；刻线密度 - 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm ),2、工作原理 光栅是利用光的透射、衍射原理，通过光敏元件测量莫尔条纹移动的数量来测量机床工作台的位移量。 它是在一块长条形的光学玻璃上用照相腐蚀法制成许多密集线纹。线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直，形成连续的透光区和不透光区。线纹之间的间距称为栅距，常用光栅有每毫米刻50条、100条及200条的。,图5-2 光栅条纹 1标尺光栅 2指示光栅 3

11、光电接收器 4光源,(1) 莫尔条纹（Moire）,条纹宽度：,W-栅距， a-线宽， b-缝宽,W=a+b ，a=b=W/2,特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹,莫尔条纹特性：,方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应 放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度 可调性：夹角 条纹间距B 灵活 准确性：大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,(2) 光栅传感器分类与结构原理,按运动形式分： 直线型-主光栅为直尺形直线移动 旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动,

12、按光学形式分： 透射式-光源与光电元件在两侧透射光 反射式-光源与光电元件同一侧反射光,5.3.2 磁栅测量装置,一、磁栅测量装置的组成,图5-3 磁栅测量装置框图,磁栅传感器主要由磁珊，磁头和检测电路构成。,（二）磁头,磁头按读数方式不同可分为动态磁头和静态磁头 动态磁头又称为非调制磁头，属于速度响应磁头，静止时无信号输出；静态磁头又称为调制磁头，属于磁通响应磁头，静止时仍有信号输出。,1、动态磁头,2、静态磁头,二、磁栅测量装置的结构和工作原理 1.磁尺结构 (1)平面实体型磁尺 (2)带状磁尺 (3)线状磁尺,测量原理：磁珊上有等间距的磁信号，利用磁带录音原理将等间距周期性变化的电信号（

13、正余弦或矩形波）用录磁的方法磁性尺子或圆盘上。 工作时，磁头相对于磁珊有一定的相对位置，在这个过程中，磁头会读出磁珊上的磁信号,2、工作原理,一、旋转变压器的结构 由定子和转子两部分组成。在定子和转子的铁芯上缠有绕组。 二、分类 （一）根据转子绕组引出的方式不同分为： 1.有刷式 2.无刷式,5.4 旋转变压器和感应同步器,5.4.1 旋转变压器,有刷式旋转变压器定子与转子上两相绕组轴线分别相互垂直，转子绕组的引线（端点）经滑环引出，并通过电刷送到外面来。,图5-4 有电刷式旋转变压器 1转子绕组 2定子绕组 3转子 4换向器 5电刷 6接线柱,无刷式旋转变压器无电刷与滑环，由分解器和变压器组

14、成，变压器把信号传递出来。 优点：输出信号大、可靠性高、寿命长不用维修等，数控机床主要使用无刷旋转变压器。,图5-5 无刷式旋转变压器,（二）旋转变压器又分为单极对和多极对。 通常应用的为单极对和双极对。 单极对旋转变压器：转子通常不直接与电机轴相联，而是经过精密齿轮升速后再与电机轴相联。 双极对旋转变压器的定子和转子上都各有两对相互垂直的磁极，其检测精度较高，在数控机床中应用普遍。 多极对旋转变压器：不用升速，可与电机直接相联，所以精度更高。,旋转变压器是利用电磁感应原理的一种模拟式角度测量元件，它的输出电压与转子的角位移有固定的函数关系。 旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于

15、：普通变压器的一次、二次绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的一次、二次绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变。因而其输出电压的大小也随之变化。 特点：坚固、耐热和耐冲击，抗振性好。,三、 工作原理,四极绕组式旋转变压器的两种工作方式。,1.鉴相式工作方式 根据旋转变压器转子绕组中感应电势的相位来确定被测位移的大小。 定子绕组和转子绕组均由两个匝数相等互相垂直的绕组组成。,感应同步器也是一种电磁式位置检测元件。 按其结构特点分为： 直线式：由定尺和滑尺组成，用于直线位移测量。 旋转式：由定子和转子组成，用于角位移测量。 工作原理：与旋转变压器相似。 应用：高精度数控

16、机床。,5.4.2 感应同步器,一、感应同步器的结构与安装,图5-6 直线式感应同步器的定尺、滑尺结构 1定尺 2、6基板 3耐切削液涂层 4、8铜箔 5、9绝缘粘结胶 7铝箔 10余弦励磁绕组 11正弦励磁绕组 12滑尺,制作： 1）定尺和滑尺的基板用与机床热膨胀系数相近的钢板做成。 2）基板上用绝缘粘结剂，贴有铜箔。 3）用照相腐蚀办法将铜箔制成印刷绕组。,参数：定尺和滑尺节距相等，标准节距 。 定尺长度为250mm。 绝对精度可达2.5um。分辨率可达0.25um。 滑尺两绕组在空间上相差1/4节距。 安装：定尺通过定尺尺座安装在机床床身上。 滑尺通过滑尺尺座安装在机床工作台上。 当工作台移动时，滑尺在定尺上移动。 定尺和滑尺应有防护罩保护。,滑尺上两激磁绕组分别为正弦激磁绕组和余弦激磁绕组，两绕组的节距与定尺相同，并相互错开1/4节距排列，即二者相差 的电角度